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1用生物乙醇推动工业生物技术发展 1

1.1导言 1

1.1.1工业生物技术 1

1.2市场驱动力 6

1.2.1原材料驱动：石油经济 6

1.2.2运输燃料替代品——生物乙醇 8

1.2.3满足生物乙醇的需求 10

1.3工业系统生物学：X-组学 11

1.3.1基因组学 13

1.3.2转录组学 15

1.3.3蛋白质组学 17

1.3.4代谢物组学 19

1.3.5代谢通量组学 20

1.3.6工业系统生物学和生物乙醇 22

1.4展望 23

致谢 24

参考文献 25

2高效生物乙醇生产中的木质纤维原料预处理 30

2.1导言 30

2.2对预处理的评估 32

2.3预处理方法 34

2.3.1物理法 35

2.3.2化学法 35

2.3.3物理化学法 36

2.3.4生物法 37

2.4预处理研究进展 37

2.4.1玉米秸秆 38

2.4.2针叶木材料 42

2.4.3两段预处理 44

2.5结论 46

参考文献 46

3原料预处理是木质纤维材料高效酶解的关键 50

3.1背景 50

3.1.1预处理工艺概述 51

3.1.2生物质的蒸汽预处理 53

3.2蒸汽预处理后木材原料的性质 54

3.3原料中的木质素 56

3.3.1预处理对木质素含量的影响 56

3.3.2木质素对酶水解的影响 57

3.4原料中的半纤维素 59

3.4.1预处理对半纤维素含量的影响 60

3.4.2半纤维素含量对水解的影响 61

3.5影响纤维素酶水解效果的原料物理性质 62

3.5.1比表面积 63

3.5.2纤维素的结晶度和聚合度 64

3.6结论 65

参考文献 66

4开发生物质转化用酶的进展与挑战 71

4.1导言 71

4.2木质纤维素生物质转化为乙醇过程的综述 72

4.2.1得率损失和成本最小化 73

4.3工艺过程对酶用量及成本的影响 75

4.3.1底物选择对酶的成本的影响 75

4.3.2预处理方式的影响 76

4.3.3工艺整合对酶性质的要求 77

4.4酶的发现：催化效率和生产率 79

4.4.1瑞氏木霉纤维素酶：目前的工业标准 79

4.4.2对协同作用的研究 80

4.5经济地生产酶 86

4.5.1去掉酶提取过程 88

4.6结论 89

致谢 89

参考文献 89

5木质纤维素水解中的热稳定酶 92

5.1导言 92

5.2纤维素的酶解 93

5.3热稳定纤维素酶 94

5.4工艺过程概念 96

5.5新型嗜热酶的评价：材料和方法 97

5.5.1酶 97

5.5.2底物 98

5.5.3瑞氏木霉纤维素酶在高温下的酶解性质 98

5.5.4嗜热混合酶的酶解性质 98

5.5.5化学分析 99

5.6嗜热酶混合物的组成 99

5.7商品真菌酶制剂在高温下的行为 99

5.8新型热稳定酶混合物评价 100

5.9热稳定酶在低温下的行为 103

5.10讨论 104

致谢 106

参考文献 106

6酿酒酵母的戊糖利用代谢工程 112

6.1导言 112

6.2木糖 118

6.2.1木糖的代谢途径 119

6.2.2在酿酒酵母中表达XI 119

6.2.3酿酒酵母中表达XR和XDH 120

6.3阿拉伯糖 120

6.3.1阿拉伯糖代谢途径 120

6.3.2酿酒酵母的阿拉伯糖代谢工程 122

6.4通过戊糖代谢酿酒酵母改进酒精发酵 122

6.4.1糖的转运 123

6.4.2改进木糖向木酮糖的转化 124

6.4.3木酮糖激酶 125

6.4.4磷酸戊糖途径 125

6.4.5细胞氧化还原代谢工程 126

6.4.6糖酵解代谢流通量 128

6.4.7其他遗传修饰 128

6.4.8随机方法 128

6.5工业戊糖发酵菌株 129

6.5.1对抑制物的耐受性 129

6.5.2菌株稳定性 129

6.5.3水解产物的发酵 130

6.6总结与前景 130

致谢 130

参考文献 131

7以木糖异构酶为关键成分进行酿酒酵母高效木糖发酵 136

7.1引言 136

7.1.1酿酒酵母和木质纤维素水解物的发酵 136

7.1.2外源木糖还原酶和木糖醇脱氢酶基因的引入：氧化还原限制 137

7.1.3酿酒酵母中内源性的木糖代谢酶 140

7.1.4通过木糖异构酶实现木糖到木酮糖的一步转化 141

7.2木糖异构酶：特性和分布 141

7.3木糖异构酶在酿酒酵母中的表达：一条漫长又曲折的道路 143

7.4高水平功能表达真菌木糖异构酶的酵母菌株的特性 144

7.5为改进基于木糖异构酶的木糖利用而进行的代谢工程 145

7.6为改进基于木糖异构酶的木糖利用而进行的进化工程 147

7.6.1提高利用木糖的酿酒酵母菌株对混合底物利用的进化工程 147

7.6.2仅包含真菌木糖异构酶的酿酒酵母的进化工程 149

7.7面向工业化应用：表达木糖异构酶酿酒酵母的发酵试验 150

7.7.1从实验室到实际环境：菌株和培养基 150

7.7.2小麦秸秆水解物的分批发酵 150

7.7.3 玉米秸秆水解物的补料分批发酵 151

7.8展望 152

参考文献 153

8利用酿酒酵母进行统合生物加工生产乙醇 156

8.1导言 156

8.2作为统合生物加工载体的酿酒酵母 158

8.3用于糖类发酵的酿酒酵母工程菌 159

8.4纤维素酶在酿酒酵母中的表达 161

8.5半纤维素酶在酿酒酵母中的表达 166

8.6选育CBP酵母菌株的筛选方法 170

8.7不同酶活力在单个CBP酵母中的整合及向工业菌株的转化 173

参考文献 174

9产乙醇细菌的构建 181

9.1导言 181

9.2产乙醇大肠杆菌的工程改造及其功能 183

9.2.1产乙醇生物催化剂KO1 1与LY01 183

9.2.2产乙醇的生物催化剂，菌株LY168 186

9.2.3其他产乙醇的重组大肠杆菌 187

9.2.4非重组的产乙醇大肠杆菌 188

9.2.5大肠杆菌外其他生物的乙醇产生 188

9.3乙醇产生过程中代谢及转录组的变化 189

9.3.1赋予LY01对乙醇抗性的生理差异 189

9.4乙醇生产面临的挑战 190

9.4.1成本低廉的生长培养基 190

9.4.2无机盐培养基中渗透压对功能的限制 190

9.4.3半纤维素水解产物包含抑制物 191

9.4.4减少对真菌纤维素酶的需求 192

9.5产乙醇设计方案在其他大宗化学品中的应用 192

9.5.1光学纯D（—）-乳酸和L（＋）-乳酸 193

9.5.2乙酸和丙酮酸 193

9.5.3木糖醇 194

9.5.4琥珀酸 195

9.5.5L-丙氨酸 195

9.6总结 196

参考文献 197

10用运动发酵单胞菌生产燃料乙醇和高附加值产品 202

10.1导言 202

10.2运动发酵单胞菌重组菌株的构建 203

10.2.1通过表达单一异源基因来扩展底物利用范围 203

10.2.2构建能够利用五碳糖的菌株 204

10.2.3利用NMR分析重组菌株的代谢特征 205

10.2.4重组菌株的动力学特征 206

10.2.5动力学模型的构建 210

10.2.6木质纤维素水解液中抑制物的影响 210

10.2.7应用于工业原料 211

10.3运动发酵单胞菌的基因组序列 213

10.4应用于高附加值产品 213

10.4.1代谢物和相关产品 213

10.4.2用于有机酸和TCA循环中间产物的代谢工程 214

10.4.3基于酶的生物转化 214

10.5讨论和总结 217

参考文献 219

11乙醇和其他生物燃料的联产 222

11.1导言 222

11.2产氢 223

11.3产甲烷 223

11.4用燃料最大化概念生产生物燃料 224

11.4.1预处理 226

11.4.2水解 227

11.4.3分离 227

11.4.4发酵 227

11.4.5废水处理 228

11.4.6生物／催化精炼 229

11.4.7传统炼油和生物／催化精炼的整合 230

11.5结论 231

参考文献 231

12生物乙醇生产的过程工程经济学 233

12.1导言 233

12.2流程图 237

12.2.1木质纤维性材料生产乙醇的模拟 238

12.3过程经济学 238

12.3.1各种参数对能耗和生产成本的影响 243

12.3.2木质纤维素与淀粉的比较 247

12.3.3与其他工厂同地建设 249

12.4结论 249

参考文献 250

13支持生物燃料生产的政策选择 252

13.1导言 252

13.2生物燃料的生产 253

13.2.1巴西 254

13.2.2美国 256

13.2.3欧盟 257

13.2.4其他生物燃料生产国 261

13.3美国的直接投资计划 262

13.4美国的免税政策 265

13.5政治目标和生物乙醇相关政策 268

13.6结论 269

致谢 270

参考文献 271

索引 275